針對(duì) EMI 設(shè)計(jì) PCB，第 1 部分：信號(hào)如何移動(dòng)

在幫助客戶使其產(chǎn)品符合 EMI 要求后，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)根本問(wèn)題：印刷電路板設(shè)計(jì)不佳。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員會(huì)遇到因印刷電路板設(shè)計(jì)不良而導(dǎo)致的問(wèn)題。當(dāng)板載能源破壞敏感的接收器電路時(shí)，不良的設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)限的延遲，從而導(dǎo)致蜂窩合規(guī)性失敗。 GPS 和 Wi-Fi 接收器也會(huì)失去靈敏度。

在第 1 部分中，您將了解信號(hào)如何通過(guò) PCB 走線移動(dòng)以及電磁場(chǎng)如何影響該移動(dòng)。在第 2 部分中，我將對(duì)比好 PCB 疊層和差 PCB 疊層之間的差異。第 3 部分介紹信號(hào)布線和電路板分區(qū)，您將在第 4 部分中找到有關(guān)分區(qū)的更多詳細(xì)信息。

造成不良 EMI 設(shè)計(jì)的因素有很多。這些包括：

· 將噪聲電路(例如電源和電機(jī)轉(zhuǎn)換)與數(shù)字和敏感模擬電路混合在一起。

· 將時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器放置得太靠近板邊緣或敏感電路。

· 不良走線會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_。

· 運(yùn)行時(shí)鐘(或高速)在返回平面的間隙/槽上進(jìn)行跟蹤。

· 最重要的是，不正確的層堆疊。

我已經(jīng)解決了返回平面間隙上交叉時(shí)鐘走線的問(wèn)題(參考文獻(xiàn) 1、2)。然而，修復(fù)有關(guān)層堆疊的最后一項(xiàng)通?？梢约m正許多問(wèn)題，包括列表中的許多其他項(xiàng)目。

在參加大學(xué)電路課程時(shí)，我們大多數(shù)人都被錯(cuò)誤地教導(dǎo)了直流和交流電流如何在集總或分布式(傳輸線)電路中工作。在我們的“場(chǎng)和波”課程中，我們不太可能接受有關(guān)電路板設(shè)計(jì)或通過(guò)電路板的信號(hào)傳播的實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)。事實(shí)上，這兩個(gè)概念(電路和場(chǎng))在通過(guò)微帶線或帶狀線傳播數(shù)字信號(hào)時(shí)一起工作(互補(bǔ))。

在了解信號(hào)如何在 PC 板中傳播之前，您必須首先了解一些物理原理。

我們都被告知“電流”是銅中電子的流動(dòng)。這很接近事實(shí)，只是我們傾向于認(rèn)為是正電流——缺少電子，通常稱為“空穴”。然而，電子和它們留下的“空穴”(正電荷)移動(dòng)速度非常緩慢。

當(dāng)然，對(duì)于直流電路來(lái)說(shuō)，這種電流流動(dòng)是正確的(初始電池連接瞬態(tài)除外)。但對(duì)于交流(或射頻)電路或開(kāi)關(guān)模式電源的“直流”輸出(帶有瞬態(tài))，我們需要了解所有連接線/跡線現(xiàn)在都必須被視為傳輸線。

首先，讓我們考慮一下電容器如何允許電子流動(dòng)。畢竟，這不是去耦電容器的工作原理嗎?參考圖 1，如果我們將電池應(yīng)用于電容器，則施加到頂板上的任何正電荷都會(huì)排斥底板上的正電荷，留下負(fù)電荷。如果我們向電容器施加交流電源，您可能會(huì)假設(shè)電流流過(guò)電介質(zhì)，這是不可能的。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)將這種現(xiàn)象稱為“位移電流”，其中正電荷僅取代相對(duì)板上的正電荷，留下負(fù)電荷，反之亦然。該位移電流定義為dE / dt(電場(chǎng)隨時(shí)間變化)。

圖 1通過(guò)電容器的位移電流的概念。

您還應(yīng)該意識(shí)到，由于銅分子的原子鍵非常緊密，電子和帶正電的空穴在銅中的運(yùn)動(dòng)速度并不接近光速，而是以約 1 厘米/秒的速度運(yùn)動(dòng)(參考文獻(xiàn) 4) 。當(dāng)然存在自由電子和空穴云，但它們?cè)诜肿又g緩慢移動(dòng)。這稱為傳導(dǎo)電流，我們可以用電流表測(cè)量。傳導(dǎo)電流與 B 場(chǎng)的切向分量有關(guān)，即旋度 B = J。

銅分子中的一個(gè)電子對(duì)其鄰近電子(以及沿著傳輸線)的影響以介電材料中電磁場(chǎng)的速度傳播。換句話說(shuō)，搖動(dòng)微帶一端的一個(gè)電子，它就會(huì)搖動(dòng)下一個(gè)電子，再搖動(dòng)下一個(gè)電子，依此類推，直到搖動(dòng)末端的最后一個(gè)電子。這種晃動(dòng)在電場(chǎng)中被稱為扭結(jié)，可以想象為牛頓搖籃玩具，這是一種機(jī)械類比，其中第一個(gè)球撞擊下一個(gè)球，最終從末端球彈出(圖 2)。

圖 2牛頓擺，這是一個(gè)類比，用于演示電場(chǎng)從一個(gè)電子傳播到下一個(gè)電子時(shí)電場(chǎng)中的“扭結(jié)”。

現(xiàn)在讓我們考慮一個(gè)數(shù)字信號(hào)，其波前以大約半光速(在 FR4 電介質(zhì)中大約為 6 英寸/納秒)沿著相鄰接地返回平面 (GRP) 上的簡(jiǎn)單微帶移動(dòng)，如圖3所示。

圖 3數(shù)字信號(hào)(電磁波)穿過(guò)微帶線和接地參考平面 (GRP) 之間的介電空間。

下一個(gè)認(rèn)識(shí)(需要掌握的事情)是數(shù)字信號(hào)的電磁場(chǎng)在電介質(zhì)空間中傳播，而不是在銅中。銅僅“引導(dǎo)”電磁波(參考文獻(xiàn) 5 和 6)。

當(dāng)信號(hào)(電磁波)首次施加在微帶線和 GRP 之間時(shí)，它開(kāi)始沿著微帶線在相鄰 GRP 上形成的傳輸線傳播。存在傳導(dǎo)電流和位移電流(穿過(guò)電介質(zhì))的組合。

當(dāng)電磁波傳播時(shí)，所有令人興奮的“EMI 事物”都發(fā)生在波前。在該時(shí)刻，無(wú)論此時(shí)施加的電壓是多少，初始波前后面的電場(chǎng)都是穩(wěn)定的，并且初始波前前面的電場(chǎng)為零。信號(hào)的快速上升或下降時(shí)間包含所有諧波能量，這就是產(chǎn)生 EMI 的原因。

如果負(fù)載阻抗等于傳輸線的特征阻抗，則電磁波不會(huì)反射回源。然而，如果存在不匹配，就會(huì)有反射的電磁場(chǎng)傳播回源。實(shí)際上，大多數(shù)真實(shí)的數(shù)字信號(hào)都會(huì)有多次反射同時(shí)通過(guò)傳輸線來(lái)回移動(dòng)。這些傳播波的過(guò)渡區(qū)(上升時(shí)間或下降時(shí)間)可能會(huì)產(chǎn)生 EMI。

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了信號(hào)如何在電路板中移動(dòng)，在 PC 板設(shè)計(jì)方面有兩個(gè)非常重要的原則：

1. PC 板上的每條信號(hào)和電源走線(或平面)都應(yīng)被視為傳輸線。

2. 傳輸線中的數(shù)字信號(hào)傳播實(shí)際上是銅跡線和 GRP 之間空間中電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)。

要構(gòu)建傳輸線，您需要兩塊相鄰的金屬來(lái)捕獲或包含磁場(chǎng)。例如，鄰近 GRP 上方的微帶線、鄰近 GRP 的帶狀線或鄰近 GRP 的電源跡線(或平面)。例如，在電源和接地參考平面之間放置多個(gè)信號(hào)層將導(dǎo)致快速信號(hào)出現(xiàn)真正的 EMI 問(wèn)題。遵守這兩條規(guī)則將決定層的堆疊。

換句話說(shuō)，每個(gè)信號(hào)或電源走線(路由電源)必須有一個(gè)相鄰的 GRP，并且所有電源層都應(yīng)該有一個(gè)相鄰的 GRP。多個(gè) GRP 應(yīng)通過(guò)縫合過(guò)孔矩陣連接在一起。

如果通過(guò)間隙或槽切斷 GRP 中的傳導(dǎo)電流路徑，我們就會(huì)開(kāi)始在整個(gè)電介質(zhì)空間中出現(xiàn)電磁場(chǎng)“泄漏”，這會(huì)導(dǎo)致電路板的邊緣輻射并通過(guò)通孔交叉耦合到其他電路-到-過(guò)孔耦合。當(dāng)我們通過(guò)多個(gè)接地參考或電源層傳遞信號(hào)時(shí)，如果沒(méi)有相鄰的縫合過(guò)孔或縫合電容器(將 GRP 連接到電源層)，也會(huì)發(fā)生這種情況。